Megmérték a Higgs-bozon pontos tömegét

2012-ben robbant a tudományos bomba, mikor az ICHEP 2012 fizikuskonferencián Joe Incandela, aki a CERN részecskegyorsítója, a Nagy Hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) egyik legfontosabb kísérletében a CMS detektornál dolgozik, bejelentette, minden bizonnyal megtalálták a Higgs-bozon nevű részecskét. Az „isteni részecske” tanulmányozása azért is tartja lázban már évtizedek óta a tudósokat, mert a Higgs-bozon és a hozzá kapcsolódó Higgs-mező felelős az összes többi részecske tömegének biztosításáért. Az „isteni” elnevezés pedig úgy ragadt rá, hogy Leon Max Lederman amerikai Nobel-díjas fizikus 1993-ban egy, a részecskefizika történelméről szóló könyvében „istenverte részecskének” akarta nevezni a Higgs-bozont, mert senki sem találja, de a kiadója rábeszélte, legyen inkább „isteni”, mert így több példányban eladható. Magyarul egyébként Az isteni a-tom – Mi a kérdés, ha a válasz, a világegyetem? címmel jelent meg a könyv.

Az univerzum szövete

A Higgs-mező egy olyan tér, amely meghatározza a benne haladó részecskék tömegét, és átmenetileg eltorzul a benne mozgó részecskék környékén. A mező mindenhol ott van, stabilizálja és kitölti az univerzumot, magyarázhatja a galaxisok, csillagok és bolygók szerkezetét, szóval „csak” a világegyetem felépítésére világít rá. Így hát a 20. századi részecskefizika egyik legfontosabb, ha nem a legfontosabb témája a Higgs-bozon.

Tömegének meghatározása kiemelkedően fontos, értéke szorosan összefügg a Higgs-potenciál tulajdonságaival – ami meghatározza az elektrogyenge vákuum stabilitását és akár univerzumunk sorsát.

A legújabb kutatási eredményeket a melbourne-i Lepton-Photon Konferencián mutatta be az ATLAS csapata. Az ATLAS a valaha készült legnagyobb részecskeütköztető detektor: 46 méter hosszú és 25 méter átmérőjű, rögzíti az LHC nagy energiájú részecskéinek ütközését, amelyek másodpercenként több mint egymilliárd interakciós sebességgel mennek végbe a detektor közepén.

0,09 százalék pontossággal

A fizikusok több mint 100 millió érzékeny elektronikai csatornát használnak az ütközések során keletkezett részecskék rögzítésére, amelyeket az ATLAS tudósai elemeznek. Az új eredmény, a Higgs-bozon tömegének eddigi legpontosabb meghatározása 0,09 százalékos pontosságú, és a teljes LHC Run-2 adatkészlet alapján született, így csökkent a statisztikai bizonytalanság.

A mérés kulcsa a fotonenergia-kalibráció, amit az ATLAS-aldetektorok részletes Monte Carlo-szimulációival optimalizáltak gépi tanulási technikák alkalmazásával. A vizsgálatok során, amikor a szimulációk és az adatok közötti eltéréseket figyelték meg, korrekciókat alkalmaztak. Az ezekre vonatkozó tanulmányok a közelmúltban komoly eredményeket értek el, az új kalibráció az ATLAS kaloriméterének pontosabb becsléseit teszi lehetővé.

A kaloriméter általában kereszt- és hosszirányban szegmentált, hogy a részecskepályák irányáról és az általuk kiváltott részecskezápor formájáról is adjon információkat. A mérés során a fizikusok az adatokat a szimulációkból származó válaszokkal egyeztették. Ezt az elektron transzverzális hullámának függvényében is mérték, ami a haladási irányára merőlegesen kelt rezgéseket a közegben. 

Egyesítették a 2. futtatás új eredményét az 1. futtatásban kapott méréssel, és 0,11 százalékos relatív bizonytalansággal kijött az a szám, amit eddig csak sejtettek, a Higgs-bozon eddigi legpontosabb eredménye: 125 milliárd elektronvolt, vagyis 125,35 GeV körüli érték.